Engineering Science and Materials Commons^™

Process-Structure Relationship In The Directed Energy Deposition Of Cobalt-Chromium Alloy (Stellite 21) Coatings, Ziyad M. Smoqi, Joshua Toddy, Harold (Scott) Halliday, Jeffrey E. Shield, Prahalada K. Rao

Department of Mechanical and Materials Engineering: Faculty Publications

In this work, we accomplished the crack-free directed energy deposition (DED) of a multi-layer Cobalt- Chromium alloy coating (Stellite 21) on Inconel 718 substrate. Stellite alloys are used as coating materials given their resistance to wear, corrosion, and high temperature. The main challenge in DED of Stellite coatings is the proclivity for crack formation during printing. The objective of this work is to characterize the effect of the input energy density and localized laser-based preheating on the characteristics of the deposited coating, namely, crack formation, microstructural evolution, dilution of the coating composition due to diffusion of iron and nickel from …

Quantifying Shape Of Star-Like Objects Using Shape Curves And A New Compactness Measure, Gopal K. Mulukutla, Emese Hadnagy, Matthew Fearon, Edward Garboczi

All Materials

Shape is an important indicator of the physical and chemical behavior of natural and engineered particulate materials (e.g., sediment, sand, rock, volcanic ash). It directly or indirectly affects numerous microscopic and macroscopic geologic, environmental and engineering processes. Due to the complex, highly irregular shapes found in particulate materials, there is a perennial need for quantitative shape descriptions. We developed a new characterization method (shape curve analysis) and a new quantitative measure (compactness, not the topological mathematical definition) by applying a fundamental principle that the geometric anisotropy of an object is a unique signature of its internal spatial distribution …

Toward Understanding Large Deflection Bending Of 3d Printed Ninjaflex®, Lucas K. Gallup, Mohamed Trabia, Brendan O’Toole, Youssef Fahmy

College of Engineering Faculty Research

NinjaFlex® is a thermoplastic polyurethane filament that is primarily used for 3D printing. Aside from its low cost and availability, this material is highly flexible, durable, and has a low coefficient of friction. While NinjaFlex® was introduced approximately two decades ago, a comprehensive understanding of the filament’s mechanical behavior, especially in the context of the effect of 3D printing, is still lacking. The goal of this research is to gain a better understanding of the behavior of 3D printed NinjaFlex® specimens when subjected to bending loads that cause large deflection. A series of experiments were conducted to test the bending …

Gas Pressure And Coating Distance For Nanohydroxyapatite Deposition On Stainless Steel 316l Using Flame Spray Technique, Angga Saputra, Utami Dyah Syafitri, Toto Sudiro, Gerald Ensang Timuda, Yessie Widya Sari

Journal of Metals, Materials and Minerals

 Metal implant coating engineering is needed to improve the surface biocompatibility properties of metals.  For this, coating metal surfaces with bioactive and biocompatible biomaterials will be an option. Having high biocompatibility as well as similarity in chemical properties, nanohydroxyapatite may be a candidate as biomaterials for coating the metal implant. The key to the success of metal implant plating is the formation of pores which increase the bioactivity and biocompatibility properties of the implant. In this study, nanohydroxyapatite was used to be coated on stainless steel type 316L (SS316L). To ensure that the coating works properly on the surface, an …

Analysis Of The Impact Factors From The Friction Stir Welding Process For Dissimilar Butt Joints Between Semi-Solid Cast Aluminum 356 And Aisi 1018 Carbon Steel, Worapong Boonchouytan, Jaknarin Chatthong, Rommador Burapa

Journal of Metals, Materials and Minerals

This research aimed to study the impacts of three different rotation speeds of 710, 1000, and 1400 rpm and three welding speeds of 40, 56, and 80 mm·min-1, on dissimilar butt joints between semi-solid aluminum 356 and AISI 1018 carbon steel. Welding tools were made from tungsten carbide material, and the offset was 0 mm. It was found that an increase in the rotation speed and welding speed caused accumulated heat, which led to the appropriate changes in the metallurgical structure. The rotation speed and welding speed factors had the impact on the greater blending of the two metals at …

Laser Powder Bed Fusion Of Ti6al4v-Xcu: Process Parameters, Thywill Ccphas Dzogbewu

Journal of Metals, Materials and Minerals

The original intent of coating biomedical and surgical devices surface with antibacterial agents is to prevent infections. However, the difference in the material properties between the biomedical devices and the coating materials causes the coating material to spall from the biomedical devices. To address the situation, the current research focused on investigating the possibility of using laser powder bed fusion process a subset of additive manufacturing technology to in situ alloy 1 at% Cu with Ti6Al4V. In situ alloying 1 at% Cu with Ti6Al4V would lead to the production of medical and surgical devices with inbuilt antibacterial property. To determine …

Development Of Chemically Grafted Multiwall Carbon Nanotube Onto Cellulose Fiber Sheet And Polyurethane Based Resin Composite For An Active Paper, Siripassorn Sukhkhawuttigit, Sarute Ummartyotin, Yingyot Infahsaeng

Journal of Metals, Materials and Minerals

Cellulose fibers (CFs) and carbon nanotubes (CNTs) were successfully developed on polyurethane substrate as a flexible composite paper. With small amount of CNTs, the composite was prepared by a suction filtration method. The existence of CNT additive in cellulose matrix was investigated based on the correlation of mechanical properties, thermal stability, and electrical properties. Although the highly transparent cellulose sheets impregnated with polyurethane were successfully fabricated, the low transmittance was obtained as the increasing of CNT additive. However, the dielectric properties of composite were enhanced with an addition of CNTs in the composite paper. The electrical conductivity was increased from …

Influence Of Cooling Conditions On Microstructure And Mechanical Property Of Sn-0.3ag-0.7cu Lead-Free Solder, Prajak Jattakul, Tavee Madsa, Piyawan Sunasuan, Niwat Mookam

Journal of Metals, Materials and Minerals

This research has investigated the influence of cooling conditions on the microstructure and mechanical properties i.e., tensile strength and microhardness of Sn-0.3Ag-0.7Cu lead-free solder. In the experiments, casting was performed at 300℃ with comparison between copper and stainless steel molds under slow and fast cooled conditions. X-ray diffractometer confirmed the presence of Cu6Sn5 and Ag3Sn phases in the solder matrix. Lead-free solder solidified under slow cooled conditions exhibited -Sn matrix with larger grain growth as compared to the fast cooled solder. The eutectic area of intermetallic compound (IMC) was found to increase with cooling rate. The tensile strength of slow …

Ab Initio Methylammonium Orientation And Monolayer Effects In Hybrid Perovskite Solar Cells, Jacob M. Artz

Browse all Theses and Dissertations

Methylammonium lead triiodide (MAPbI3) has garnered attention due to their high solar cell efficiencies and low cost to manufacture, but commercialization is not yet possible owing to poor environmental stability. Thus, researchers seek ways which optimize the performance of the MAPbI3 solar cell by modifying the architecture and through interfacial engineering of the charge transport layers. Difficulties in understanding these devices arise from ion migration, charge separation and recombination, and metastable, thermally active precessions of the methylammonium (MA) moiety in the lead iodide framework. In this work, focus is given to the perovskite and an adsorbed monolayer, 2,3,4,5,6-pentafluorothiophenol (C6F5SH), which …

หุ่นยนต์ 3 มิติชนิดจับที่ปลายแบบรับรู้แรงเพื่อการฟื้นฟูรยางค์ส่วนบน, เกวลี อัศวะไพฑูรย์เสริฐ

Chulalongkorn University Theses and Dissertations (Chula ETD)

งานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อออกแบบต้นแบบหุ่นยนต์ 3 มิติชนิดจับที่ปลายแบบรับรู้แรงที่มีระบบควบคุมทางพลศาสตร์และโปรแกรมควบคุมการทำงาน เพื่อการประยุกต์ใช้ในการฟื้นฟูรยางค์ส่วนบน โดยงานวิจัยนี้ได้ออกแบบและพัฒนาต้นแบบหุ่นยนต์ที่มีชื่อว่าหุ่นยนต์ 3DEE (3D End-effector Manipulator Arm) ซึ่งเป็นหุ่นยนต์กายภาพบำบัดชนิดจับที่ปลายที่มีจุดสัมผัสอยู่ที่บริเวณข้อมือ มีลักษณะโครงสร้างเป็น 3-dimensional five-bar linkage manipulator ซึ่งสามารถเคลื่อนไหวใน 3 มิติได้และมีโครงสร้างที่ไม่ซับซ้อน อีกทั้งหุ่นยนต์ยังถูกออกแบบให้เหมาะสำหรับหุ่นยนต์กายภาพบำบัดและคำนึงถึงความปลอดภัยของผู้ใช้เป็นหลัก ระบบควบคุมที่ใช้ในงานวิจัยนี้เป็นระบบควบคุมกำแพงเสมือนแบบสปริงและตัวหน่วงสำหรับโปรแกรมอุโมงค์เสมือนที่เหมาะสำหรับให้ผู้ป่วยได้ออกแรงเคลื่อนไหวเองโดยมีหุ่นยนต์ประคองให้อยู่ในเส้นทางเท่านั้น โปรแกรมถูกออกแบบให้สามารถปรับค่าพารามิเตอร์ต่างๆ บันทึกข้อมูลและแสดงผลข้อมูลได้ การทดสอบหุ่นยนต์เริ่มจากการทดสอบความแม่นยำของส่วนชดเชยน้ำหนักของแขนหุ่นยนต์ก่อนซึ่งเป็นส่วนสำคัญส่วนหนึ่งของระบบควบคุม ซึ่งผลที่ได้นำมาสรุปได้ว่าส่วนชดเชยน้ำหนักของแขนหุ่นยนต์มีความแม่นยำที่มาก ตามด้วยการทดสอบประสิทธิภาพของระบบควบคุม ซึ่งผลที่ได้แสดงให้เห็นว่าระบบควบคุมนี้สามารถช่วยให้เคลื่อนไหวในเส้นทางที่กำหนดได้อย่างสะดวก อีกทั้งยังออกนอกเส้นทางได้ยาก

Test-Retest Reliability And Minimal Detectable Change Of The Computerized Dynamic Posturography Proprio For Adults With Chronic Traumatic Brain Injury, Guilherme Manna Cesar, Thad W. Buster, Judith M. Burnfield

Department of Mechanical and Materials Engineering: Faculty Publications

Purpose: Balance deficits after brain injury, including reactive recovery from unexpected perturbations, can persist well after rehabilitation is concluded. While traditional clinical assessments are practical, the anticipatory nature of the tasks may mask perceptible balance control. Computerized dynamic posturography can directly quantify capacity to respond to unexpected, external perturbations. This study examined the reliability of the computerized dynamic posturography assessment with the device PROPRIO® 4000 in adults with traumatic brain injury and created the minimal detectable change for its standardized test.

Methods: Ten adults (ages 21–55 years) with chronic (average 10 ± 6 years post-injury) severe (loss of consciousness 2–75 …

Perceived Importance Of Aac Messages To Support Communication In Rehabilitation Settings, Susan Koch Fager, Judith M. Burnfield, Chase M Pfeifer, Tabatha Sorenson

Department of Mechanical and Materials Engineering: Faculty Publications

Purpose: Permanent or temporary speech loss can occur due to a variety of medical conditions and often requires individuals to use augmentative and alternative communication (AAC) strategies and technologies to support communication. The use of AAC in medical and rehabilitation settings is critical to ensure the health, safety and psychological well-being of communicatively vulnerable individuals.

Method: This study surveyed the perceived importance of communication messages within five categories (Basic Needs, Patient-Provider Specific Communication, Social, Feelings, and Messages for Young Children) by individuals with disability who have undergone recent medical care as well as by rehabilitation care providers.

Results: Results indicated …

Feasibility Of Motor-Assisted Elliptical To Improve Walking, Fitness And Balance Following Pediatric Acquired Brain Injury: A Case Series, Judith M. Burnfield, Guilherme Manna Cesar, Thad W. Buster

Department of Mechanical and Materials Engineering: Faculty Publications

Purpose: Walking, fitness, and balance deficits are common following acquired brain injury (ABI). This study assessed feasibility, acceptability, and usefulness of a modified motor-assisted elliptical (ICARE) in addressing walking, fitness, and balance deficits in children with chronic ABIs.

Methods: Three children (> 5 years post-ABI) completed 24 ICARE exercise sessions (exercise time, speed, and time overriding motor-assistance gradually increased) to promote mass repetition of gait-like movements and challenge cardiorespiratory fitness. Parents’ and children’s perceptions of ICARE’s safety, comfort, workout, and usability were assessed. Cardiovascular response, gait and balance outcomes were assessed.

Results: No adverse events occurred. Parent’s …

A Novel Large Animal Model Of Smoke Inhalation-Induced Acute Respiratory Distress Syndrome, Premila D. Leiphrakpam, Hannah R. Weber, Andrea Mccain, Roser Romaguera Matas, Ernesto Martinez Duarte, Keely L. Buesing

Department of Mechanical and Materials Engineering: Faculty Publications

Background: Acute respiratory distress syndrome (ARDS) is multifactorial and can result from sepsis, trauma, or pneumonia, amongst other primary pathologies. It is one of the major causes of death in critically ill patients with a reported mortality rate up to 45%. The present study focuses on the development of a large animal model of smoke inhalation-induced ARDS in an effort to provide the scientific community with a reliable, reproducible large animal model of isolated toxic inhalation injury-induced ARDS. Methods: Animals (n=21) were exposed to smoke under general anesthesia for 1 to 2 h (median smoke exposure=0.5 to 1 L of …

Ultrasound-Activated Ciliary Bands For Microrobotic Systems Inspired By Starfish, Cornel Dillinger, Nitesh Nama, Daniel Ahmed

Department of Mechanical and Materials Engineering: Faculty Publications

Cilia are short, hair-like appendages ubiquitous in various biological systems, which have evolved to manipulate and gather food in liquids at regimes where viscosity dominates inertia. Inspired by these natural systems, synthetic cilia have been developed and utilized in microfluidics and microrobotics to achieve functionalities such as propulsion, liquid pumping and mixing, and particle manipulation. Here, we demonstrate ultrasound-activated synthetic ciliary bands that mimic the natural arrangements of ciliary bands on the surface of starfish larva. Our system leverages nonlinear acoustics at microscales to drive bulk fluid motion via acoustically actuated small-amplitude oscillations of synthetic cilia. By arranging the planar …

Artificial Reefs: A History, A Science, A Technology, Mairead D. Farrell

Honors Theses

Over the past 60 years, artificial reefs have expanded beyond the definition of a technology, and in turn have developed into a unique branch of marine science. To better emphasize this growth and separation, a brief history of artificial reef development and usage in chapter two shows some of the key shifts over time in this technology’s purpose and the materials used to achieve that goal. Likewise, to indicate the scientific development of artificial reefs as a branch of marine science, their usage for discovery and research is recorded in chapter three, along with the exponential increase in published scientific …

การประยุกต์ใช้แผ่นที่ปรับค่าความแข็งด้วยลมเข้ากับมือจับแบบง่าย, เจตนิพิฐ อรุณรัตน์

Chulalongkorn University Theses and Dissertations (Chula ETD)

จากแนวคิดการใช้งานผิวหนังเทียมหรืออุปกรณ์ห่อหุ้มเพื่อเพิ่มความปลอดภัยและประสิทธิภาพในการทำงานของหุ่นยนต์ นำมาสู่การพัฒนาผิวหนังเทียมที่ติดตั้งบริเวณมือจับของหุ่นยนต์ โดยผิวหนังเทียมเหล่านี้จะมีค่าความแข็งที่แตกต่างกันตามการใช้งาน วิทยานิพนธ์เล่มนี้นำเสนอการออกแบบและขึ้นรูปแผ่นที่ปรับค่าความแข็งได้ (VSPs) ด้วยความดันลม ซึ่งทำหน้าที่เสมือนเป็นผิวหนังเทียมของมือจับ จากนั้นนำแผ่นดังกล่าวไปทดลองใช้กับมือจับแข็งเกร็งอย่างง่าย เพื่อหยิบจับวัตถุซึ่งไม่ทราบตำแหน่ง รูปทรงและความแข็งที่แน่ชัดด้วยวิธีการควบคุมอิมพีแดนซ์ VSPs สร้างขึ้นจากวัสดุอ่อนนุ่มประเภทซิลิโคน ซึ่งขึ้นรูปโดยใช้การหล่อและเสริมความแข็งแรงด้วยเส้นใยไฟเบอร์ มีโครงสร้างภายในเป็นทรงกระบอกเรียงตัวขนานกัน สามารถควบคุมค่าความแข็งผ่านการควบคุมค่าความดันโดยใช้ปั๊มเข็มฉีดยาร่วมกับตัวควบคุมแผนเลื่อน จากการทดลองประยุกต์ใช้ VSPs ร่วมกับมือจับแข็งเกร็งพบว่า VSPs ช่วยเพิ่มความปลอดภัยและความยืดหยุ่นในการทำงาน เนื่องจากสามารถปรับค่าความแข็งให้เหมาะสมกับการทำงานนั้น ๆ ได้ โดยการปรับค่าความแข็งเพิ่มจะช่วยลดระยะเวลาในการทำงาน หากลดค่าความแข็งจะช่วยเพิ่มความปลอดภัยและความเสถียรในการทำงานแทน

การระบายความร้อนของเเผ่นเรียบด้วยโครงสร้างเชือกดูดซับน้ำ, ชลธิชา แกล้วทนงค์

Chulalongkorn University Theses and Dissertations (Chula ETD)

การศึกษาครั้งนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาการประยุกต์อุปกรณ์ระบายความร้อนระเหยน้ำจากผ้ากับเซลล์แสงอาทิตย์ งานวิจัยนี้ได้แบ่งการศึกษาออกเป็น 2 ส่วนด้วยกันคือ การศึกษาส่วนแรกเป็นการทดสอบผลของอุปกรณ์ระบายความร้อนระเหยน้ำจากผ้ากับเซลล์แสงอาทิตย์จำลอง และการศึกษาในส่วนที่ 2 เป็นการเสนอการประยุกต์อุปกรณ์ระบายความร้อนระเหยน้ำจากผ้ากับเซลล์แสงอาทิตย์ ซึ่งได้นำเสนอต้นแบบการประยุกต์อุปกรณ์ระบายความร้อนระเหยน้ำจากผ้ากับเซลล์แสงอาทิตย์โดยมี 3 รูปแบบ รูปแบบที่ 1 คือกรณีติดตั้งบนดาดฟ้าอาคารเรียบโดยใช้ระบบน้ำร่วมกับอาคาร รูปแบบที่ 2 คือกรณีติดตั้งบนดาดฟ้าอาคารเรียบโดยแยกระบบน้ำกับอาคาร และรูปแบบที่ 3 คือกรณีติดตั้งบนหลังคาที่มีความลาดเอียงโดยแยกระบบน้ำกับอาคาร และวิเคราะห์ความคุ้มค่าทางเศรษฐศาสตร์ โดยวิเคราะห์มูลค่าปัจจุบันสุทธิ (NPV) อัตราผลตอบแทนภายใน (IRR) วิเคราะห์ระยะเวลาคืนทุน (Payback Period) และวิเคราะห์ความอ่อนไหวของโครงการ การทดสอบอุปกรณ์ระบายความร้อนระเหยน้ำจากผ้ากับเซลล์แสงอาทิตย์จำลองแสดงให้เห็นว่าสำหรับกรณีฟลักซ์ความร้อน 205.8, 483.8 และ 661.8 W/m2 สามารถลดอุณหภูมิของแผงได้ถึง 5.9, 8.3 และ 11.3°C ซึ่งประมาณได้เป็นการเพิ่มประสิทธิภาพเซลล์แสงอาทิตย์ 2.95, 4.15 และ 5.65% ตามลำดับ และผลการวิเคราะห์ความคุ้มค่าทางเศรษฐศาสตร์ของประยุกต์อุปกรณ์ระบายความร้อนระเหยน้ำจากผ้ากับเซลล์แสงอาทิตย์ตัวอย่างที่ขนาดการติดตั้ง 6.6 kW ตลอดอายุโครงการ 25 ปี แสดงให้เห็นว่าการติดตั้งในรูปแบบที่ 1 คือกรณีติดตั้งบนดาดฟ้าอาคารเรียบโดยใช้ระบบน้ำร่วมกับอาคาร มีค่า NPV สูงสุด IRR มากสุด และระยะเวลาคืนทุนน้อยสุด ได้แก่ 109,112.11 บาท, 255.33% และ 0.39 ปี ตามลำดับ ในการวิเคราะห์ความอ่อนไหวโครงการที่พิจารณาผลกระทบจากการเปลี่ยนแปลงค่าไฟฟ้า ค่าน้ำ และค่าผลกระทบของอุณหภูมิต่อประสิทธิภาพเซลล์แสงอาทิตย์ พบว่า ค่าผลกระทบของอุณหภูมิต่อประสิทธิภาพที่เปลี่ยนไปส่งผลต่อ NPV, IRR และระยะเวลาคืนทุนมากที่สุด โดยที่การเปลี่ยนแปลงค่าน้ำมีผลกระทบน้อยที่สุด

A Numerical Study Of Flow Past Arrays Of Cylinders At Low Reynolds Number, Woraphon Wannaviroj

Chulalongkorn University Theses and Dissertations (Chula ETD)

Coastal erosion along shorelines has increasingly been prevalent. A popular method for alleviating this problem is to use breakwaters, made of bamboo, known as “bamboo fencing”. The thesis numerically investigates steady, low-velocity flow past several geometrical configurations of bamboo fencings, modelled as array of cylinders using the ANSYS®-Fluent software. The Reynolds number based on incoming flow velocity (U∞), cylinder diameter (D), and fluid kinematic viscosity is Re = 100. Validation is done for mesh convergence and time-step size for the two-dimensional flow past a circular cylinder. For a pair of side-by-side arranged cylinders, it is found that the effect of …

Using Machine Learning To Interpret Dice Rolls, Hunter Wimsatt, Aarohi Panzade, Kaaustaaub Shankar, Warren Campbell

SEAS Faculty Publications

Gamers use polyhedral dice that come with 4 sides (D4), 6 sides (D6), 8 sides (D8), 10 sides (D10), 12 sides (D12) and 20 sides (D20). All dice are unfair, some more than others. The goal of this project was to develop a machine learning and computer vision solution for the interpretation of dice rolls. When combined with an automated dice roller it would facilitate the study of dice unfairness. In the machine learning literature, Convolutional Neural Networks (CNNs) are the preferred method of computer classification of images. The CNN convolves images with different weights and biases through multiple layers …